阅读说明：本技术 具有可溶胀金属的密封设备 (Sealing device with swellable metal ) 是由 M·L·夫瑞普 G·吉尔斯塔德 Z·W·沃尔顿 于 2018-01-29 设计创作，主要内容包括：提供一种密封设备。所述密封设备包括可溶胀金属。所述可溶胀金属在暴露于流体时能从具有初始体积的初始配置转变成具有增大体积的膨胀配置。所述可溶胀金属在流体通道的环空中转变成所述膨胀配置时抵靠所述流体通道的表面形成密封,使得至少部分地限制所述环空中跨所述可溶胀金属的流体连通。(A sealing apparatus is provided. The sealing device comprises a swellable metal. The swellable metal is capable of transitioning from an initial configuration having an initial volume to an expanded configuration having an increased volume upon exposure to a fluid. The swellable metal forms a seal against a surface of a fluid passage when transformed into the expanded configuration in the annulus of the fluid passage such that fluid communication across the swellable metal in the annulus is at least partially restricted.)

具体实施方式

应了解，为了图示的简单和清楚起见，在适当的情况下，在不同附图之间重复附图标号来指示对应或相似元素。此外，阐述了众多具体细节，以便提供对本文所述实例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员应理解，可在没有这些特定细节的情况下实践本文所述的实例。在其他情况下，并未详细描述方法、步骤和部件，以免混淆正在描述的相关特征。而且，描述不应视为限制本文所述实施方案的范围。附图不一定按比例绘制，并且某些部分的比例可能被放大以更好地示出本公开的细节和特征。

本文公开了用于具有可溶胀金属的密封设备的系统和方法。可溶胀金属在暴露于流体(诸如盐水或任何水性流体)时尺寸膨胀，从而从具有初始尺寸或第一尺寸(即，体积)的第一配置转变成膨胀配置。在此膨胀期间，可溶胀金属的体积增大到大于第一配置时的初始尺寸或第一尺寸。由于该尺寸较大，因而可溶胀金属起作用来抑制和阻挡流体流过自身。此外，可溶胀金属在膨胀抵靠表面时可形成密封。例如，可溶胀金属在流体通道的环空中转变成膨胀配置时可抵靠流体通道的表面形成密封，使得至少部分地限制，并且在至少一个实例中阻止环空中跨可溶胀金属的流体流。

可溶胀金属可以由任何可水解的金属材料形成，当水解时所述金属材料的体积膨胀，从而增大尺寸。因此，当与水性流体接触时，可溶胀金属水解并且体积膨胀。

密封设备还可以包括可以包封可溶胀金属的至少一部分的密闭剂。密闭剂可允许流体流动通过密闭剂到达可溶胀金属。而且，密闭剂可以保护可溶胀金属免受酸的影响，因为酸可以阻止可溶胀金属在水解后形成固体。此外，密闭剂可增强密封设备抵靠流体通道的表面的密封。

图1示出了具有流体通道20的一部分的示例性系统10的示意图。流体通道20被示出为在形成在套管25的套管表面22与生产油管25的生产油管表面23之间的井筒环空24内。因此，流体可容纳在流体通道20的套管表面22和生产油管表面23(在本文中称为“表面22、23”)内并在其内流动。虽然被示出为由环空形成，但是可替代地，流体通道20可以是任何管道、钻柱或者井筒的其他部分或流体流动通过的任何通道。

流体通道20的表面22、23可形成横截面形状，所述横截面形状可以是基本上圆形、卵形、矩形或任何其他合适的形状。流体通道20的表面22、23可由例如与套管25或生产油管25相同的材料制成，所述材料在此情况下是金属，然而，可替代地，流体通道20的表面可以是地层岩石或塑料、或者其他金属或金属合金。流体通道20的表面22、23在所有侧上可以是相同的材料。在其他实例中，流体通道20的表面22、23可以在不同区域中具有不同的材料或成分。流体通道102的部分可具有任何取向或者仅在一个方向或多个方向上(例如，竖直或以一定角度、沿着任何轴线)延伸，并且可以是但不要求是水平的，如图1中示意性地描绘的。流体可以是一种流体，或多于一种流体。流体可包括例如水或油。流体也可基本上填充整个流体通道20。在其他实例中，流体可部分地填充流体通道20。流体可以是静态的或流动的。

如图1所示，密封设备100设置在流体通道20的环空24中。密封设备100在图1中被示出为邻接流体通道20的一个表面，并且在此情况下，邻接生产油管表面23。在至少一个实例中，密封设备100可悬置在流体通道20的环空24中。在又其他实例中，密封设备100可与装置联接以将密封设备100定位在流体通道20中。如图1所示，密封设备100具有基本上矩形的横截面。在其他实例中，密封设备100可具有基本上圆形、卵形、三角形、四边形、多边形或任何合适形状的横截面。

密封设备100包括可溶胀金属110。可溶胀金属110是当暴露于流体时水解并且可操作来转变成具有增大体积的膨胀配置2000(参见图2)的金属。流体可以是任何水性流体，并且具体地是含盐水性流体，诸如盐水。例如，流体可以是高盐度盐水，例如盐含量大于15％的NaCl盐水或KCl盐水。在其他实例中，流体可以是水解可溶胀金属110的具有水的任何合适流体。在至少一个实例中，可溶胀金属110不会在油或油基泥浆中溶胀。可溶胀金属110与流体中的水反应以形成金属氢氧化物和/或金属氧化物。由于金属水合反应的产物具有比反应物更大的体积，因此在反应期间可溶胀金属110的体积增大。因此，可溶胀金属110的金属氢氧化物反应物比基础金属占据更多空间。在转变成膨胀配置2000时，可溶胀金属110的体积在不受流体通道20抑制时可增大例如大于30％。然而，流体通道20的表面22可阻碍可溶胀金属110进一步膨胀。

可溶胀金属110包括碱土金属、过渡金属和后过渡金属中的至少一种。例如，可溶胀金属110可包括当与流体中的水反应时水解形成金属氢氧化物的镁、铝和钙中的至少一种。金属氢氧化物可基本上不溶于水。在至少一个实例中，可溶胀金属110可以是一种金属。在其他实例中，可溶胀金属110可以是合金以增加反应性或控制形成氢氧化物/氧化物，其中合金元素可包括铝、锌、锰、锆、钇、钕、钆、银、钙、锡、铼和任何其他合适元素中的至少一种。合金可溶胀金属110可与促进腐蚀的掺杂剂进一步合金化。例如，掺杂剂可包括镍、铁、铜、钴、碳、钨、锡、镓、铋或促进腐蚀的任何其他合适掺杂剂中的至少一种。也可向反应添加其他离子，例如，硅酸根、硫酸根、铝酸根、磷酸根或任何其他合适的离子。可溶胀金属110可在固溶工艺中构造，其中元素与熔融金属结合。在其他实例中，可溶胀金属110可通过粉末冶金工艺来构造。

可溶胀金属110与流体的反应如下所示，其中M是金属，O是氧，H是氢，并且a、b和c是可以相同或不同的数字：

M+aH_xO-->M(OH)_b+cH₂

例如，如果金属是镁，则水合反应为：

Mg+2H₂O-->Mg(OH)₂+H₂。

Mg(OH)₂的体积比原始镁大85％。

在其他实例中，如果金属是镁，则水合反应为：

Al+3H₂O-->Al(OH)₃+3/2H₂

Al(OH)₂的体积比原始铝大160％。

在又另外的实例中，如果金属是钙，则水合反应为：

Ca+H₂O-->Ca(OH)₂

Ca(OH)₂的体积比原始钙大32％。

当用于描述金属时，术语“可溶胀的”意在传达水解反应的副产物的体积大于原始金属的体积。例如，可溶胀金属与水反应生成微米级的颗粒，并且然后这些颗粒锁定在一起以形成密封。在一些实例中，靠近可溶胀金属的空间的体积小于可溶胀金属的膨胀体积，使得可溶胀金属在转变成膨胀配置时可邻接流体通道的表面以提供密封。例如，靠近可溶胀金属的自由体积可近似膨胀体积的一半。例如，在镁作为可溶胀金属的情况下，靠近镁的自由体积可小于原始镁的体积的85％。自由体积可表示为金属的横截面积和需要密封的空间的横截面积。

由于溶胀压力，氢氧化物可进一步脱水。如果金属氢氧化物对抗另外的氢氧化物形成物的移动，则可形成升高压力。区内金属氢氧化物可在升高压力下脱水。结果是金属氢氧化物可进一步脱水成金属氧化物。例如，Mg(OH)₂的脱水反应可形成MgO+H₂O。类似地，Ca(OH)₂可变成CaO+H₂O，并且Al(OH)₃可脱水成AlOOH或Al₂O₃。

在其他实例中，处于初始状态1000的可溶胀金属110可以是金属氧化物。例如，氧化钙(CaO)与水将在高能反应中生成氢氧化钙。由于氧化钙的较高密度，反应将提供260％的体积膨胀率，其中转换1摩尔的CaO，体积从9.5cc膨胀到34.4cc。

在至少一个实例中，可溶胀金属110可以是实心金属件。可溶胀金属110的实心件可以是环、管、圆柱体、包裹物或任何其他形状。在其他实例中，可溶胀金属110可类似于镁铁质材料并且是多孔的。在又其他实例中，可溶胀金属可呈颗粒112形式，如图3所示。可溶胀金属110的颗粒112可承载在粘结剂114中。粘结剂114可以是可降解粘结剂。利用可降解粘结剂，粘结剂114降解并允许可溶胀金属110的活性材料与流体反应。在其他实例中，粘结剂114不会降解。在又其他实例中，粘结剂114是可溶胀弹性体，诸如油可溶胀橡胶、水可溶胀橡胶或混合可溶胀橡胶。粘结剂114也可以是多孔的。可使用用于承载可溶胀金属110的颗粒112的任何其他合适的粘结剂114。可溶胀金属110的颗粒112可均匀地分布在粘结剂114中。在其他实例中，可分布可溶胀金属110的颗粒112以在密封设备100的期望部段中提供期望范围的膨胀和固化。

密封设备100还可包括密闭剂120。虽然图1和图2示出了密闭剂120，但在至少一个实例中，密封设备100可不包括密闭剂120。

密闭剂120包封可溶胀金属110的至少一部分。在至少一个实例中，密闭剂120可包封可溶胀金属110的仅一侧。在其他实例中，密闭剂120可以基本上包封整个可溶胀金属110。密闭剂120可操作以允许流体流动通过密闭剂120。例如，密闭剂120可允许盐水通过密闭剂120，这将致使可溶胀金属110水解并转变成膨胀配置2000。因此，可溶胀金属110可使密闭剂120膨胀和/或将密闭剂120压靠在流体通道2的至少一个表面22上并且在流体通道20的环空24中形成密封。可溶胀金属110可对酸敏感，因为酸可阻止可溶胀金属在水解之后形成固体。例如，酸可在井筒清理期间在井筒中循环。密闭剂120可操作来保护可溶胀金属110免受酸的影响。在至少一个实例中，密闭剂120可至少部分地使酸和可溶胀金属110分离。在其他实例中，密闭剂120可包含可中和靠近可溶胀金属110的区域中的酸的苛性碱。

具有密闭剂120的可溶胀金属110可用于形成密封，例如在油田管状件外部上形成封隔器或在油田管状件内部上形成桥塞。在至少一个实例中，当可溶胀金属110转变成膨胀配置2000时，密闭剂120可能破裂。这样，可溶胀金属110在转变成膨胀配置2000之后可直接与流体通道20的表面22、23相互作用。在至少一个实例中，密闭剂120可以是多孔的，使得流体或气体可穿过密闭剂120。例如，密闭剂120可包括可溶胀橡胶、氯丁橡胶、聚碳酸酯材料、聚氨酯和聚四氟乙烯中的至少一种。密闭剂120可以是多孔的，在密闭剂120中具有多个孔。在至少一个实例中，密闭剂120可以是多孔的以进行气体迁移。密闭剂120可以是膜过滤器，使得仅允许水迁移。

在至少一个实例中，密闭剂120可通过包裹在可溶胀金属110周围、模制在可溶胀金属110周围、沉积(诸如化学气相沉积)在可溶胀金属上或任何其他合适的方法以使可溶胀金属110至少部分地由密闭剂120包封来包封可溶胀金属110。

在至少一个实例中，密闭剂120的至少一部分是弹性的和可拉伸的，使得可溶胀金属110可在期望的方向上膨胀。例如，密闭剂在轴向方向上可以是刚性的，但在径向方向上可以是弹性的。利用这种配置，可溶胀金属110的膨胀可在径向方向上引导，而在轴向方向上提供剪切强度。

密闭剂120可包封呈颗粒112形式的可溶胀金属110，诸如图3所示。经密封的可溶胀金属110在转变成膨胀配置2000之前可以是适形的，类似于豆袋。经密封的可溶胀金属110的形式可在转变成膨胀配置2000时被锁定就位。这样，密闭剂120中的可溶胀金属110的颗粒112可以类似于压缩永久变形封隔器的方式使用。

如图1所示，密封设备100处于初始状态1000，使得可溶胀金属110的体积未膨胀。这样，在流体通道20的环空24中密封设备100的至少一个表面与流体通道20的至少一个表面22之间存在间隙。流体可流动通过环空24中的间隙。可溶胀金属110在流体通道20的环空24中转变成膨胀配置2000时可操作来抵靠流体通道的表面形成密封，使得基本上限制环空24中跨可溶胀金属110的流体连通。当抵靠流体通道20的表面22形成密封时，密封设备100形成密封压力。密封压力是例如当密封设备100将开始在流体通道20内移动时密封被破坏之前密封可承受的压力。

参考图4，示出了根据示例性实施方案的流程图。方法400通过实例提供，因为存在执行方法的多种方式。下文所述的方法400可例如使用图4所示的配置来执行，并且在解释示例性方法400时参考了这些图的各种元素。图4所示的每个框表示在示例性方法400中执行的一个或多个过程、方法或子例程。此外，所示出的框顺序仅是说明性的，并且框的次序可根据本公开改变。在不脱离本公开的情况下，可添加另外的框或可利用更少的块。示例性方法400可在框402处开始。

在框402处，在流体通道的环空中提供密封设备。密封设备包括当暴露于流体并水解时可转变成具有增大体积的膨胀配置的可溶胀金属。密封设备还可包括密闭剂。在其他实例中，密封设备不包括密闭剂。密闭剂包封可溶胀金属的至少一部分，并且可操作来允许流体流动通过密闭剂。例如，密闭剂可具有孔，使得流体可通过孔流动到可溶胀金属。密闭剂还可保护可溶胀金属免受流体通道中酸的影响。密闭剂可以是弹性的，使得可溶胀金属在期望方向上膨胀。可溶胀金属可以是实心金属环。在其他实例中，可溶胀金属可呈颗粒形式。当呈颗粒形式并且由密闭剂包封时，密封设备可能够适形于流体通道内的期望形状。

在框404处，使可溶胀金属暴露于流体，并且可溶胀金属可从初始配置转变成具有增大体积的膨胀配置。流体在与可溶胀金属反应时使可溶胀金属水解。流体可以是例如盐水。盐水中的水可与可溶胀金属反应，使得可溶胀金属水解为金属氢氧化物和/或金属氧化物。当可溶胀金属水解为金属氢氧化物和/或金属氧化物时，反应物的体积比初始材料大。这样，可溶胀金属的体积在处于膨胀配置时增大。

在框406处，由处于膨胀配置的可溶胀金属抵靠环空的表面形成密封。密封可通过使可溶胀金属直接抵靠在环空的表面来形成。在其他实例中，密封可通过密闭剂邻接环空的表面来形成。由密封设备形成的密封阻止在流体通道的环空内跨密封设备的流体连通。这样，密封设备使流体通道的部段与流体隔离。如果密封不能充分阻止穿过密封设备的流体连通，则可适用，可溶胀金属可进一步脱水以使可溶胀金属进一步膨胀。在至少一个实例中，密封设备可形成临时密封，使得可在期望时间移除密封设备。在其他实例中，密封设备可形成永久密封，使得密封不会被移除。

实施例

为了便于更好地理解本公开，给出了某些实施方案的以下实施例。以下实施例决不应解读为限制或限定本公开的范围。

具有可溶胀金属110的密封设备100的示例性展示在图5A和图5B中示出。将两个1英寸长的可溶胀金属110棒放置在油管或流体通道20的环空24中。可溶胀金属110棒具有0.5英寸的直径，并且油管20的内径为0.625英寸。油管是钢制螺纹接管。在示例性展示中，密封设备100不包括密闭剂。

将可溶胀金属110棒在200℉暴露于20％的KCl溶液。然后，可溶胀金属110棒转变成膨胀配置并封闭油管20中的环形间隙，从而形成密封。在可溶胀金属110棒膨胀之后，密封设备100在没有泄漏的情况下保持300psi持续几分钟。施加超过600psi的压力以破坏密封，使得可溶胀金属110棒开始在管道20中移位。在可溶胀金属110棒开始移动之后，大约200psi足以维持所述移动。因此，在没有任何外部支撑的情况下，可溶胀金属110保持300psi。

本文提供了许多实施例来增强对本公开的理解。如下提供一组特定的声明。

声明1：公开一种密封设备，其包括：可溶胀金属，所述可溶胀金属在暴露于流体时能从具有初始体积的初始配置转变成具有增大体积的膨胀配置，其中所述可溶胀金属在流体通道中的环空中转变成所述膨胀配置时抵靠所述流体通道的表面形成密封，使得至少部分地限制所述环空中跨所述可溶胀金属的流体连通。

声明2：公开根据声明1所述的密封设备，其中所述可溶胀金属包括碱土金属、过渡金属和后过渡金属中的至少一种。

声明3：公开根据声明1或2所述的密封设备，其中在转变成膨胀配置时，所述可溶胀金属的体积在不受所述流体通道抑制时增大大于30％。

声明4：公开根据声明3所述的密封设备，其中所述可溶胀金属包括镁、铝和钙中的至少一种。

声明5：公开根据声明4所述的密封设备，其中所述可溶胀金属包括促进腐蚀的掺杂剂，并且其中所述掺杂剂包括镍、铁、铜、钴、碳、钨、锡、镓和铋中的至少一种。

声明6：公开根据前述声明1-5中任一项所述的密封设备，其中所述可溶胀金属是实心金属件。

声明7：公开根据前述声明1-6中任一项所述的密封设备，其中所述可溶胀金属呈颗粒形式。

声明8：公开根据声明7所述的密封设备，其中所述可溶胀金属承载在粘结剂中，其中所述粘结剂包括可降解粘结剂或可溶胀弹性体中的至少一种。

声明9：公开根据前述声明1-8中任一项所述的密封设备，其还包括包封所述可溶胀金属的至少一部分的密闭剂。

声明10：公开根据声明9所述的密封设备，其中所述密闭剂是多孔的以允许所述流体流动通过所述密闭剂，其中所述密闭剂保护所述可溶胀金属免受酸的影响。

声明11：公开根据声明9或10所述的密封设备，其中所述密闭剂被配置为当所述可溶胀金属转变成所述膨胀配置时破裂。

声明12：公开根据前述声明9-11中任一项所述的密封设备，其中所述密闭剂是多孔的，其中所述密闭剂包括可溶胀橡胶、氯丁橡胶、聚碳酸酯材料或聚四氟乙烯中的至少一种。

声明13：公开根据前述声明9-12中任一项所述的密封设备，其中所述密闭剂通过包裹在所述可溶胀金属周围、模制在所述可溶胀金属周围或沉积在所述可溶胀金属上中的至少一种来包封所述可溶胀金属。

声明14：公开根据前述声明9-13中任一项所述的密封设备，其中所述密闭剂的至少一部分是弹性的，使得所述可溶胀金属在期望方向上膨胀。

声明15：公开一种方法，其包括：在流体通道的环空中提供如前述声明1-14中任一项所公开的密封设备，所述密封设备包括可溶胀金属；使所述可溶胀金属暴露于流体，使得所述可溶胀金属从具有初始体积的初始配置转变成具有增大体积的膨胀配置；并且由处于所述膨胀配置的所述可溶胀金属抵靠所述流体通道的表面形成密封，使得至少部分地限制所述环空中跨所述可溶胀金属的流体连通。

声明16：公开根据前述声明15所述的方法，其中所述密封设备还包括包封所述可溶胀金属的至少一部分的密闭剂。

声明17：公开根据前述声明15或16所述的方法，其中所述密闭剂的至少一部分是弹性的，使得所述可溶胀金属在期望方向上膨胀。

声明18：公开一种系统，其包括：具有环空的流体通道；以及如前述声明1-14中任一项所公开的密封设备，所述密封设备包括：可溶胀金属，所述可溶胀金属在暴露于流体时能从具有初始体积的初始配置转变成具有增大体积的膨胀配置，其中所述可溶胀金属在环空中转变成所述膨胀配置时抵靠所述流体通道的表面形成密封，使得至少部分地限制所述环空中跨所述可溶胀金属的流体连通。

声明19：公开根据声明18所述的系统，其中所述密封设备还包括包封所述可溶胀金属的至少一部分的密闭剂。

声明20：公开根据声明18或19所述的系统，其中所述密闭剂是多孔的以允许所述流体流动通过所述密闭剂，其中所述密闭剂保护所述可溶胀金属免受酸的影响。

上文所示和所述的公开内容仅是实例。虽然在前述描述中已经陈述了本技术的众多特性和优点，以及本公开的结构和功能的细节，但本公开仅是说明性的，并且可在所附权利要求中所用术语的广义一般含义所表示的全部范围内，对细节进行修改，特别是在本公开原理范围内的部分的形状、尺寸和布置方面。因此，应了解，可在所附权利要求的范围内修改上述实例。